U 型通風采空區自燃“三帶”劃分研究

冀 凱 戴子棟

（河南龍宇能源股份有限公司陳四樓煤礦，河南 商丘 476600）

采空區遺煤易引起自然發火事故，采空區內部火源點難以定位且隱蔽，是困擾礦井安全生產的主要災害之一[1]。常規探測技術精確度不足，難以探測采空區深部。煤自燃“三帶”劃分是防止采空區自然發火最有效方法之一[2]，精準劃分采空區煤自燃“三帶”范圍對礦井各種防滅火措施的制定具有指導作用，極大促進礦井安全開采。

1 工作面概況及自燃“三帶”劃分標準

1.1 工作面概況

陳四樓煤礦21210 工作面煤層的厚度為0.6～4.8 m，平均厚度2.7 m。該工作面布置規整，適宜工作面的開采。工作面中部過一處夾矸發育區，結構復雜，為較穩定煤層。21210 工作面整體為一傾向NW 的單斜構造，地層傾角為20°～26°，平均23°，采用綜采工藝具有較好的經濟效益。正常情況下跟頂回采，不得任意留頂底煤。煤層厚度小于2.7 m 時，跟頂破底回采，采高不低于2.7 m。煤層厚度不小于2.7 m，不大于4 m 時，跟頂跟底回采。當煤層厚度大于4 m 時，跟頂留底煤回采，采高不得超過4 m。

1.2 煤自燃“三帶”劃分理論

采煤工作面采空區自然發火“三帶”可劃分為散熱帶、氧化帶和窒息帶[3]。目前，劃分采空區自燃“三帶”的主要方法有：溫度法、漏風強度法及氧氣濃度法[4]。溫度法劃分采空區自燃“三帶”有一定缺陷，采空區某處溫度較低時該處的遺留仍存在自然發火的可能性，不能全面衡量采空區的自燃危險性；由于受測量儀器的影響以及采空區風流方向和大小的復雜性，漏風強度法劃分采空區自燃“三帶”在井下現場應用較為困難。因此，溫度法、漏風強度法都不太適用。氧氣濃度對采空區煤炭自燃起決定性作用，目前普遍采用氧氣濃度法來劃分采空區自燃“三帶”，具有現場可操作性強、劃分指標明確的優點。因此，陳四樓煤礦21210 工作面選擇氧氣濃度法測試采空區自燃“三帶”分布。

2 測點布置及測試結果

2.1 測點布置方式

21210 工作面采用“U”型通風方式，進風巷道、回風巷道各布置2 個采樣點。采樣點1 位于工作面進風隅角端頭，采樣點2 與采樣點1 間距約30 m。每個測點連接1 根束管，束管鋪設長度各為150 m，束管布置于進風巷道緊貼巷幫一側。同樣的，回風巷道采樣點布置與進風巷道采樣點布置距離、位置一致，具體如圖1。隨著工作面不斷推進，各采樣點逐漸進入采空區內部，在氣樣采集點抽取各束管氣體，即可監測采空區不同位置的氣體成分。

2.2 測試結果分析

隨著工作面的推進，1、3 號測點首先進入采空區，2、4 號測點后進入采空區。對進入采空區的測點現場取樣，周期為每天采樣一次，用實驗室色譜分析儀對樣品進行檢測分析。根據分析結果，將陳四樓煤礦采空區內氧氣體積分數距工作面的距離變化繪制成圖，采樣點1～采樣點4 的變化趨勢如圖2、圖3。

圖2 采樣點1、采樣點2 氧氣濃度變化曲線圖

圖3 采樣點3、采樣點4 氧氣濃度變化曲線圖

實際測定中，劃分散熱帶與氧化帶、氧化帶與窒息帶的氧氣濃度指標分別是18%和5%，即氧氣濃度范圍大于18%為散熱帶，氧氣濃度范圍介于5%～18%之間為氧化自燃帶，氧氣濃度范圍低于5%的為窒息帶。依據O2濃度指標，21210 綜采工作面實測自燃“三帶”范圍見表1。

表1 21210 工作面采空區自燃“三帶”分布 m

由表1 的采樣點1、采樣點2 監測結果可知，21210 工作面采空區進風側的散熱帶界線為采空區深部75～81 m，平均寬度為78 m；氧化自燃帶界線為采空區深部126～132 m，平均129 m；進入采空區126～132 m 之后，即為窒息帶范圍。

由表1 的采樣點3、采樣點4 監測結果可知，21210 工作面采空區回風側的散熱帶界線為采空區深部41～44 m，平均寬度為42.5 m；氧化自燃帶界線為采空區深部90～95 m，平均92.5 m；進入采空區90～95 m 之后，即為窒息帶范圍。

3 數值模擬

3.1 采空區物理模型建立

按照現場實際及數值模擬的要求，以陳四樓煤礦21210 工作面采空區實際尺寸及風量為依據，為了簡化問題、把握主要因素，將巷道、工作面以及采空區均視為長方體，采空區長×寬×高為450 m×193 m×2.9 m。在笛卡爾坐標系下創建3D 物理模型，建立一個長寬高為450 m×193 m×2.9 m 的模型，使用Ansys Mesh 組件對采空區三維模型進行網格劃分，模型共有618.93 萬個網格，網格步長取0.5 m。采空區物理模型及網格劃分如圖4。

圖4 采空區三維物理模型網格圖

3.2 模擬參數設置

計算模型選擇穩態模型（steady），壓力與速度之間的耦合選用基于交錯網格的SIMPLE 算法[5]。模擬運算中，進風巷道面邊界設置為速度入口，總進風為1176 m3/min，回風巷道面邊界設置為壓力出口，視研究范圍內的氣體為理想氣體，氧氣濃度為21%，其余均為氮氣。巷道及采空區均為長方體，內部尺寸各有差異。為了便于計算，模擬期間各種物理量恒定，不受采空區推進影響。模擬中考慮重力因素，大小為9.8 N/kg。

3.3 模擬結果分析

由圖5 可知，在“U”型通風方式下，采空區高氧濃度區域近似呈三角形式分布。采空區進風側的高氧濃度范圍大于回風側，距工作面約88 m 的范圍內氧氣濃度均高于18%。而在采空區回風側，采空區漏風逐漸向工作面回風隅角匯入，氧氣濃度分布范圍減小，逐漸向工作面方向收縮。總體上，隨著進入采空區深部，離工作面越遠，氧氣濃度越低，進風側氧氣濃度高于7%的范圍為0～122 m，回風側氧氣濃度高于7%的范圍為0～85 m；沿采空區傾向，氧氣濃度在18%～7%的采空區范圍成長條狀，且貫穿整個傾向。

圖5 “U”型通風方式下采空區氧氣濃度分布平面圖

4 結語

1）通過井下束管取樣，對21210 綜采工作面采空區氧氣濃度不間斷監測分析，利用氧氣濃度指標劃分21210 工作面采空區自燃“三帶”范圍。進風測范圍：散熱帶0～78 m，氧化升溫帶78～129 m，窒息帶大于129 m；回風側范圍：散熱帶0～42.5 m，氧化升溫帶42.5～92.5 m，窒息帶大于92.5 m。數值模擬結果與現場測定的采空區自燃“三帶”范圍基本一致，差異在合理范圍內。數值模擬劃分的采空區自燃“三帶”為，進風側范圍：散熱帶0～88 m，氧化升溫帶88～122 m，窒息帶大于122 m；回風側范圍：散熱帶0～30 m，氧化升溫帶30～85 m，窒息帶大于85 m。通過對比，模擬結果比較真實地反映采空區的情況。

2）數值模擬分析采空區氧氣濃度變化情況，進風側的氧化自燃帶寬度較大，回風側的氧化自燃帶寬度較小，模擬與現場實際吻合。